WO2012043216A1 - 固体潤滑転がり軸受 - Google Patents

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英之 筒井
大平　晃也
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Definitions

  • the present invention relates to a solid lubricated rolling bearing used under high temperature conditions.
  • Rolling bearings used under high temperature conditions generally contain fluorine grease with excellent heat resistance as a lubricant.
  • a rolling bearing used as a guide roller for a tenter clip in a resin film stretching apparatus such as a rolling bearing that is exposed to a high temperature that is insufficient in heat resistance even with fluorine grease, is usually more than with fluorine grease. Lubrication with a solid lubricant having high heat resistance is performed.
  • Patent Document 1 a ring formed of a solid lubricant (hereinafter referred to as a “lubricating ring”) on both sides of an array of rolling elements between inner and outer rings, and an elastic member that presses the lubricating ring against the rolling elements,
  • a rolling bearing in which a solid lubricant is transferred from a lubrication ring to a rolling element to perform lubrication.
  • an object of the present invention is to maintain the lubrication state inside the solid-lubricated rolling bearing well over a long period of time and extend the bearing life.
  • a solid lubricated rolling bearing of the present invention is attached to a plurality of rolling elements arranged between an inner ring and an outer ring, and both axial ends of either the inner ring or the outer ring.
  • a sealing member that closes the annular space between the inner ring and the outer ring, a lubricating ring that is formed of graphite and is arranged between the array of rolling elements and the sealing member, and that is formed of graphite and between the rolling elements.
  • a columnar separator disposed in the cylinder, the blending ratio of graphite in the lubrication ring and the separator is 90 to 100 vol%, and the bending strength of the separator is 10 to 90 MPa.
  • the lubrication ring and the separator incorporated in the bearing are made of graphite, which is particularly excellent in lubricity among solid lubricants, and the blending ratio of the graphite is 90 to 100 vol%, so that sufficient lubrication is achieved.
  • the bending strength of the separator 10 to 90 MPa, it is possible to prevent the separator from being damaged during operation.
  • the lubrication ring and the separator can be formed of graphite alone or a sintered body of graphite and a binder, respectively.
  • the binder contains at least one of one metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Ni, W, Sn, Co, and Cr, or an oxide, nitride, and boride of each of the above metals. Should be used.
  • at least one of the two members can be molded by any one of a cold isostatic press molding method (CIP), an extrusion molding method, and a compression molding method.
  • CIP cold isostatic press molding method
  • a flat surface facing the rolling element or a cylindrical shape can be used.
  • the inner ring, outer ring and rolling element are preferably formed of martensitic stainless steel, and JIS standard SUS440C is preferably used as the martensitic stainless steel.
  • the rolling element may be formed of ceramics. In this case, it is preferable to use silicon nitride as the ceramics.
  • the solid-lubricated rolling bearing of the present invention is attached to a rolling bearing used in an atmosphere of 250 ° C. or higher in the atmosphere, for example, a tenter clip that holds a resin film in a resin film stretching apparatus, and is used for guiding a tenter clip.
  • the present invention can be particularly effectively applied to a rolling bearing used as a guide roller that rolls on a guide rail.
  • the lubrication ring and separator incorporated in the bearing are formed of graphite, the blending ratio of the graphite is 90 to 100 vol%, and the bending strength of the separator is 10 to 90 MPa. Therefore, the inside of the bearing is sufficiently lubricated, and there is no possibility that the separator is damaged during operation. Therefore, the lubrication state between the rolling surfaces of the inner and outer rings and the rolling elements can be maintained well over a long period of time, and the bearing life can be extended.
  • Partially cutaway front view of the solid lubricated rolling bearing of the embodiment except for the shield Sectional view along the line II-II in FIG. 1 is a perspective view of the separator of FIG. 1, and b and c are perspective views of modified examples of the separator shape, respectively.
  • This solid lubrication rolling bearing is attached to a tenter clip that holds the resin film in the resin film stretching device, and used as a guide roller that rolls on the guide rail for guiding the tenter clip in an atmosphere of 250 ° C. or higher.
  • the basic configuration thereof has rolling surfaces 1 a and 2 a having a concave arc shape in cross section on the outer periphery of the inner ring 1 and the inner periphery of the outer ring 2, respectively.
  • a ball bearing in which balls 3 as a plurality of rolling elements are arranged between a surface 1a and an outer ring rolling surface 2a.
  • a columnar separator 4 is incorporated every other ball 3.
  • shields (seal members) 6 that close the annular space 5 between the inner ring 1 and the outer ring 2 are attached to both ends in the axial direction of the outer ring 2.
  • a lubrication ring 7 is arranged between the arrays. Note that a heat-resistant seal can be used instead of the shield.
  • the inner ring 1, outer ring 2 and ball 3 are made of SUS440C, but other martensitic stainless steel may be used.
  • the ball 3 can be formed of ceramics such as silicon nitride, but if not formed of ceramics, a film of a solid lubricant such as graphite may be formed on the surface thereof.
  • the shield 6 is formed of SUS304.
  • the separator 4 and the lubricating ring 7 are molded by any one of a cold isostatic press molding method (CIP), an extrusion molding method, and a compression molding method using only graphite or a sintered body of graphite and a binder. Or a plate material, pipe material, bar material or the like molded by the same molding method is formed into a desired shape.
  • the blending ratio of each graphite is 90 to 100 vol%, preferably 95 to 100 vol%.
  • the binder includes one metal selected from the group consisting of Fe, Cu, Ni, W, Sn, Co, and Cr, or each of these metals.
  • a material containing at least one of oxides, nitrides and borides is used.
  • the separator 4 is formed to have a bending strength of 10 to 90 MPa.
  • the shape of the separator 4 is a prism having a substantially square cross section as shown in FIG. 3A, and both circumferential edges of the surface facing the outer ring 2 are chamfered.
  • the surface facing the inner and outer rings 1 and 2 is a cylindrical surface
  • the surface facing the ball 3 is a flat surface, or as shown in FIG.
  • the whole may be formed in a columnar shape, and dimples, grooves or the like may be formed on the surface as necessary.
  • This solid-lubricated rolling bearing has the above-described configuration, and the separator 4 and the lubrication ring 7 having a graphite blending ratio of 90 to 100 vol% are in contact with the ball 3 during operation, respectively, and the ball 3 is in contact with the graphite. Therefore, a sufficient graphite transfer film can be formed on the balls 3. Further, since the bending strength of the separator 4 is 10 to 90 MPa, there is no possibility that the separator 4 is damaged during operation. Therefore, the lubrication state between the inner ring rolling surface 1a and the outer ring rolling surface 2a and the ball 3 is maintained well over a long period of time, and the service life is longer than before.
  • Example 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 7 20 types of test bearings having a nominal number 608 of 10 types (Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 7) were prepared. Each test bearing is obtained by changing the graphite blending ratio of the separator and the lubrication ring based on the configuration of the embodiment or by changing a part of the following standard configuration. Table 1 shows the changes from the reference configuration of each test bearing and the graphite blending ratio of the separator / lubricating ring together with the experimental results (bearing life) described later. (Standard configuration of test bearing) Main component of separator / lubricating ring: graphite Material of inner ring / outer ring / ball: SUS440C Solid lubricant coating on ball surface: None
  • the separator incorporated in each test bearing has a prismatic shape (height 2.5 mm ⁇ width 2.5 mm ⁇ length 4 mm) shown in FIG. 3A, and the lubricating ring has an outer diameter of 16 mm. 8 mm x inner diameter 13.2 mm x thickness 0.8 mm.
  • the separator and the lubrication ring are molded by any one of the cold isostatic press molding method (CIP), the extrusion molding method, and the compression molding method, and then baked at 1000 ° C. or higher. To obtain a sintered body.
  • the bending strength of the separator was measured according to JIS R1601. Further, the formation of the graphite film on the ball surface in Example 12 was performed by spraying shot blast.
  • the present invention is not limited to the ball bearing as in the above-described embodiment, but can be applied to a rolling bearing such as a cylindrical roller bearing.

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Abstract

　固体潤滑転がり軸受の内部の潤滑状態を長期間にわたって良好に維持し、軸受寿命を延長する。内外輪（１、２）間でボール（３）の１個おきに配される柱状のセパレータ（４）と、外輪（２）両端部に取り付けられたシールド（６）とボール（３）の配列との間に配される潤滑リング（７）を、グラファイトで形成し、そのグラファイトの配合率を９０～１００ｖｏｌ％とすることにより、十分な潤滑が行われるようにするとともに、セパレータ（４）の曲げ強度を１０～９０ＭＰａとすることにより、運転中のセパレータ（４）の破損を防止できるようにしたのである。その結果、内輪転走面（１ａ）および外輪転走面（２ａ）とボール（３）との間の潤滑状態が長期間にわたって良好に維持され、軸受寿命の延長を図ることができる。

Description

固体潤滑転がり軸受
　本発明は、高温条件下で使用される固体潤滑転がり軸受に関する。
　高温条件下で使用される転がり軸受では、一般に、潤滑剤として耐熱性に優れたフッ素グリースが封入されている。しかし、例えば、樹脂フィルム延伸装置内でテンタークリップ用ガイドローラとして使用される転がり軸受等、フッ素グリースでも耐熱性の不足するような高温にさらされる転がり軸受に対しては、通常、フッ素グリースよりも高い耐熱性を有する固体潤滑剤による潤滑が行われる。
　例えば、特許文献１では、内外輪間の転動体の配列の両側に、固体潤滑剤で形成されたリング（以下、「潤滑リング」という。）と、この潤滑リングを転動体に押し付ける弾性部材とを組み込むことにより、潤滑リングから固体潤滑剤を転動体に移着させて潤滑を行うようにした転がり軸受が提案されている。
　また、特許文献２で提案されている転がり軸受では、内外輪間に配される転動体の１個おきまたは複数個おきに、固体潤滑剤で形成された断面扇形の柱状セパレータを組み込むことにより、セパレータから固体潤滑剤を転動体や内外輪の転走面に移着させて潤滑を行うようにしている。
特開２００８－１４４１１号公報 特開２０００－３２０５４８号公報
　上記特許文献１に記載された転がり軸受では、潤滑リングによる転動体への固体潤滑剤の供給が軸方向からしか行われないので、転動体と内外輪の転走面との間に固体潤滑剤が入り込んでいきにくく、十分な潤滑ができないおそれがある。
　一方、上記特許文献２に記載された転がり軸受では、固体潤滑剤で形成されたセパレータの強度が小さいため、運転中にセパレータが破損してしまうおそれがある。これに対して、セパレータの強度を上げるために固体潤滑剤の配合率を下げると、十分な潤滑ができなくなる。
　そこで、本発明は、固体潤滑転がり軸受の内部の潤滑状態を長期間にわたって良好に維持し、軸受寿命を延長することを課題とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の固体潤滑転がり軸受は、内輪と外輪との間に配される複数の転動体と、前記内輪と外輪のいずれか一方の軸方向両端部に取り付けられ、内輪と外輪との間の環状空間を塞ぐシール部材と、グラファイトで形成され、前記転動体の配列とシール部材との間に配される潤滑リングと、グラファイトで形成され、前記各転動体間に配される柱状のセパレータとを備え、前記潤滑リングおよびセパレータのグラファイトの配合率が９０～１００ｖｏｌ％であり、前記セパレータの曲げ強度が１０～９０ＭＰａである構成のものとした。
　すなわち、軸受内部に組み込む潤滑リングとセパレータを、それぞれ固体潤滑剤のうちでも特に潤滑性に優れたグラファイトで形成するようにし、そのグラファイトの配合率を９０～１００ｖｏｌ％とすることにより、十分な潤滑が行われるようにするとともに、セパレータの曲げ強度を１０～９０ＭＰａとすることにより、運転中のセパレータの破損を防止できるようにしたのである。
　上記の構成において、前記潤滑リングおよびセパレータは、それぞれグラファイトのみ、またはグラファイトとバインダーとの焼結体で形成することができる。そのバインダーとしては、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｃｒの群から選択される１種の金属または前記各金属の酸化物、窒化物、ホウ化物のうちの少なくとも一つを含むものを使用するとよい。また、両部材の少なくとも一つは、冷間静水圧プレス成型法（ＣＩＰ）、押し出し成型法、圧縮成型法のいずれかで成型することができる。
　前記セパレータとしては、その転動体と対向する面を平面としたものや、円柱状に形成したものを用いることができる。
　前記内輪、外輪および転動体は、マルテンサイト系ステンレス鋼で形成することが好ましく、そのマルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４０Ｃを用いることが好ましい。また、前記転動体はセラミックスで形成してもよく、その場合のセラミックスとしては、窒化ケイ素を用いることが好ましい。
　一方、前記転動体をセラミックスで形成しない場合は、その表面にグラファイトの被膜を形成することが望ましい。
　そして、本発明の固体潤滑転がり軸受は、大気中の２５０℃以上の環境で使用される転がり軸受、例えば、樹脂フィルム延伸装置内で樹脂フィルムを把持するテンタークリップに取り付けられ、テンタークリップ案内用のガイドレール上を転動するガイドローラとして使用される転がり軸受に対して、特に有効に適用することができる。
　本発明の固体潤滑転がり軸受は、上述したように、軸受内部に組み込む潤滑リングとセパレータをグラファイトで形成し、そのグラファイトの配合率を９０～１００ｖｏｌ％とするともに、セパレータの曲げ強度を１０～９０ＭＰａとしたものであるから、軸受内部が十分に潤滑され、運転中にセパレータが破損するおそれもない。従って、内外輪の転走面と転動体との間の潤滑状態を長期間にわたって良好に維持でき、軸受寿命の延長を図ることができる。
実施形態の固体潤滑転がり軸受のシールドを除いた一部切欠き正面図 図１のII－II線に沿った断面図 ａは図１のセパレータの斜視図、ｂ、ｃは、それぞれセパレータ形状の変形例の斜視図
　以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。この固体潤滑転がり軸受は、樹脂フィルム延伸装置内で樹脂フィルムを把持するテンタークリップに取り付けられ、テンタークリップ案内用のガイドレール上を転動するガイドローラとして、大気中の２５０℃以上の環境で使用されるもので、その基本的な構成は、図１に示すように、内輪１の外周と外輪２の内周にそれぞれ断面凹円弧状の転走面１ａ、２ａを有し、この内輪転走面１ａと外輪転走面２ａとの間に複数の転動体としてのボール３を配した玉軸受である。
　そして、図１および図２に示すように、内輪１と外輪２の間には、ボール３の１個おきに柱状のセパレータ４が組み込まれている。なお、セパレータはボールの複数個おきに組み込むようにしてもよい。
　また、図２に示すように、外輪２の軸方向両端部には、内輪１と外輪２との間の環状空間５を塞ぐシールド（シール部材）６が取り付けられ、各シールド６とボール３の配列との間に潤滑リング７が配されている。なお、シールドに代えて耐熱性を有するシールを用いることもできる。
　前記内輪１、外輪２およびボール３は、ＳＵＳ４４０Ｃで形成されているが、その他のマルテンサイト系ステンレス鋼を用いてもよい。また、ボール３は、窒化ケイ素等のセラミックスで形成することもできるが、セラミックスで形成しない場合は、その表面にグラファイト等の固体潤滑剤の被膜を形成するとよい。一方、前記シールド６はＳＵＳ３０４で形成されている。
　前記セパレータ４および潤滑リング７は、グラファイトのみ、またはグラファイトとバインダーとの焼結体を材料として、冷間静水圧プレス成型法（ＣＩＰ）、押し出し成型法、圧縮成型法のいずれかで成型されているか、または同成型方法で成型された板材、パイプ材、棒材などを機械加工して所望の形状に形成される。それぞれのグラファイトの配合率は、９０～１００ｖｏｌ％、好ましくは９５～１００ｖｏｌ％である。これらの部材をグラファイトとバインダーとの焼結体で形成する場合、そのバインダーには、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｃｒの群から選択される１種の金属またはこれらの各金属の酸化物、窒化物、ホウ化物のうちの少なくとも一つを含むものを使用する。そして、いずれの場合でも、セパレータ４は曲げ強度が１０～９０ＭＰａとなるように形成される。
　前記セパレータ４の形状は、図３（ａ）に示すように、断面略正方形の角柱であり、外輪２に対向する面の周方向両側縁が面取りされている。また、その形状の変形例として、図３（ｂ）に示すように、内外輪１、２と対向する面を円筒面、ボール３と対向する面を平面としたり、図３（ｃ）に示すように、全体を円柱状に形成したりしてもよく、必要に応じて表面にディンプルや溝等を形成してもよい。
　この固体潤滑転がり軸受は、上記の構成であり、グラファイトの配合率を９０～１００ｖｏｌ％としたセパレータ４および潤滑リング７が、それぞれ運転中にボール３と滑りを伴って接触し、ボール３にグラファイトを供給するので、ボール３に十分なグラファイトの移着膜を形成することができる。また、セパレータ４の曲げ強度を１０～９０ＭＰａとしたので、運転中にセパレータ４が破損するおそれもない。従って、内輪転走面１ａおよび外輪転走面２ａとボール３との間の潤滑状態が長期間にわたって良好に維持され、従来よりも長寿命となる。
　次に、上述した実施形態の軸受の耐久性を確認するために行った実験について説明する。実験では、呼び番号６０８の試験軸受を１種類１０個ずつ２０種類（実施例１～１３および比較例１～７）用意した。各試験軸受は、実施形態の構成をベースとして、そのセパレータおよび潤滑リングのグラファイト配合率を変化させたり、下記の基準構成の一部を変更したりしたものである。各試験軸受の基準構成からの変更点およびセパレータ・潤滑リングのグラファイト配合率を、後述する実験結果（軸受寿命）と合わせて表１に示す。（試験軸受の基準構成）
　　セパレータ・潤滑リングの主成分：グラファイト
　　内輪・外輪・ボールの材質　　　：ＳＵＳ４４０Ｃ
　　ボール表面の固体潤滑被膜処理　：なし
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ここで、各試験軸受に組み込んだセパレータは、図３（ａ）に示した角柱状のもの（高さ２．５ｍｍ×幅２．５ｍｍ×長さ４ｍｍ）であり、潤滑リングは、外径１６．８ｍｍ×内径１３．２ｍｍ×厚さ０．８ｍｍのものである。そのセパレータおよび潤滑リングをグラファイト等の固体潤滑剤で形成する際は、冷間静水圧プレス成型法（ＣＩＰ）、押し出し成型法、圧縮成型法のいずれかで成型した後、１０００℃以上でベーキングして焼結体とした。そのセパレータの曲げ強度は、ＪＩＳ　Ｒ１６０１に準拠して測定した。また、実施例１２におけるボール表面へのグラファイト被膜の形成は、ショットブラストの吹き付けにより行った。
　そして、大気中高温用軸受試験機に同じ種類の試験軸受を２個セットで取り付け、下記の条件で運転して、２個の軸受の回転トルクの合計が一定値（１４７ｍＮ・ｍ）に達するまでの運転時間の測定を行い、５回の測定結果の平均を軸受寿命とした。
（試験条件）
　　加熱温度　　　：２５０℃、４００℃（２水準）
　　アキシアル荷重：１９６Ｎ
　　回転数　　　　：１０００ｍｉｎ-1
　表１から明らかなように、加熱温度が２５０℃、４００℃のいずれの場合も、各実施例の寿命は各比較例の数倍程度となっている。また、各実施例、各比較例とも、運転中にセパレータの破損は生じなかった。この結果から、本発明により固体潤滑転がり軸受の寿命を大幅に延長できることが確認された。
　なお、本発明は、上述した実施形態のような玉軸受に限らず、円筒ころ軸受等の転がり軸受に適用できる。
１　内輪
１ａ　転走面
２　外輪
２ａ　転走面
３　ボール
４　セパレータ
５　環状空間
６　シールド（シール部材）
７　潤滑リング

Claims (15)

  1. 　内輪と外輪との間に配される複数の転動体と、前記内輪と外輪のいずれか一方の軸方向両端部に取り付けられ、内輪と外輪との間の環状空間を塞ぐシール部材と、グラファイトで形成され、前記転動体の配列とシール部材との間に配される潤滑リングと、グラファイトで形成され、前記各転動体間に配される柱状のセパレータとを備え、前記潤滑リングおよびセパレータのグラファイトの配合率が９０～１００ｖｏｌ％であり、前記セパレータの曲げ強度が１０～９０ＭＰａである固体潤滑転がり軸受。
  2. 　前記潤滑リングをグラファイトのみ、またはグラファイトとバインダーとの焼結体で形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体潤滑転がり軸受。
  3. 　前記セパレータをグラファイトのみ、またはグラファイトとバインダーとの焼結体で形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の固体潤滑転がり軸受。
  4. 　前記バインダーとして、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｃｒの群から選択される１種の金属または前記各金属の酸化物、窒化物、ホウ化物のうちの少なくとも一つを含むものを使用したことを特徴とする請求項２または３に記載の固体潤滑転がり軸受。
  5. 　前記潤滑リングとセパレータの少なくとも一つが、冷間静水圧プレス成型法、押し出し成型法、圧縮成型法のいずれかで成型されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  6. 　前記セパレータの転動体と対向する面を平面としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  7. 　前記セパレータを円柱状に形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  8. 　前記内輪および外輪をマルテンサイト系ステンレス鋼で形成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  9. 　前記転動体をマルテンサイト系ステンレス鋼で形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  10. 　前記転動体の表面にグラファイトの被膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  11. 　前記転動体をセラミックスで形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  12. 　前記マルテンサイト系ステンレス鋼がＪＩＳ規格のＳＵＳ４４０Ｃであることを特徴とする請求項８または９に記載の固体潤滑転がり軸受。
  13. 　前記セラミックスが窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１１に記載の固体潤滑転がり軸受。
  14. 　大気中の２５０℃以上の環境で使用されることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
  15. 　樹脂フィルム延伸装置内で樹脂フィルムを把持するテンタークリップに取り付けられ、テンタークリップ案内用のガイドレール上を転動するガイドローラとして使用されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の固体潤滑転がり軸受。
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